Kvartsi (SiO2) – määritelmä, ominaisuudet, muodot ja käyttö

Tutustu kvartsiin (SiO2): rakenne, fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, muodot (ametisti, akaatti, ruusukvartsi) sekä käyttö koruissa, teollisuudessa ja elektroniikassa.

Kvartsi on tektosilikaattimineraali, joka on toiseksi yleisin mineraali maapallon mannermaisessa kuoressa. Sen kiderakenne on SiO4-pii-hapen tetraedereiden muodostama kehys. Jokaisella tetraedrillä on yhteinen happiatomi toisen tetraedrin kanssa, joten kemiallinen yleiskaava on SiO2 eli piidioksidi.

Kvartsia on monia eri lajikkeita, joista osa on puolijalokiviä. Niitä on käytetty jo pitkään korujen ja kovakiviveistosten valmistukseen. Akaatti, ametisti ja ruusukvartsi ovat kaikki kvartsin muotoja.

Kvartsikiteitä käytetään oskillaattoreissa, esimerkiksi kvartsikelloissa. Piitä uutetaan myös puolijohteiden valmistukseen. Suurin osa hiekasta on pieniä kvartsihippuja. Kvartsin mineraalien kovuus on 7. (Mohsin asteikko).

Sana "kvartsi" tulee saksankielisestä sanasta "quarz".

"Sulakvartsi" on lasia, joka on valmistettu piidioksidista ei-kiteisessä muodossa. Se ei sisällä muita ainesosia, joita lisätään muuhun lasiin sulamispisteen alentamiseksi. Sulatetun kvartsin työ- ja sulamislämpötilat ovat korkeat. Joihinkin tarkoituksiin sulatettu kvartsi on puhtautensa vuoksi parempaa kuin muut lasityypit. Lasia käytetään useissa korkean teknologian tuotteissa.

Rakenne ja polymorfit

Kvartsin perusrakenne muodostuu SiO4-tetraedreistä, jotka yhdistyvät siten, että oksigeeniatomeista tulee yhteisiä useammalle tetraedrille. Tämä antaa kvartsille kestäväksi tunnetun, kolmiulotteisen kehärakenteen. Kvartsilla on useita polymorfisia muotoja, eli samasta kemiallisesta koostumuksesta muodostuvia erilaisia kiteisiä rakenteita. Tunnetuimpia näistä ovat:

• alpha-kvarts (matalemmissa lämpötiloissa vakaa),
• beta-kvarts (muodostuu noin 573 °C lämpötilassa ja palaa alpha-tilaan jäähdyttäessä),
• tridymiitti ja kristobaliitti (korkeammissa lämpötiloissa stabiileja),
• coesite ja stishovite (hyvin korkeissa paineissa muodostuvia, esimerkiksi tektonisten prosessien seurauksena).

Fyysiset ja kemialliset ominaisuudet

• Kovuus: Mohsin asteikon mukaan 7, joten kvartsia pidetään kovana mineraalina.
• Tiheys: noin 2,65 g/cm³.
• Väri ja läpikuultavuus: väri voi olla väritön (rock crystal), valkoinen, ruskea, harmaa, violetti (ametisti), vaaleanpunainen (ruusukvartsi) tai savunharmaa (smoky); läpikuultavuus vaihtelee läpinäkyvästä opaakkiin.
• Optiset ominaisuudet: taitekertoimen tyypillisesti noin 1,544–1,553, pleokroismi yleensä heikko.
• Kemiallinen kestävyys: kvartsin kiteinen SiO2 on kemiallisesti hyvin vakaa ja liukenee vain vaikeasti; se sulaa noin 1710–1725 °C paikkeilla puhtaana SiO2:na, mutta liukenee helposti hydrofluorihappoon (HF).
• Sähkömekaaniset ominaisuudet: kvartsilla on piezoelektrinen ominaisuus (eli se kehittää jännityksen mekaanisen rasituksen seurauksena), mikä tekee siitä tärkeän materiaalin tärinänsäätöön ja taajuusreferensseihin.

Muodot, lajikkeet ja esiintyminen

Kvartsia esiintyy monessa muodossa: kiteisinä yksittäisinä primäärisinä kidekappaleina (usein kuusikulmaisina prismoina, joiden päissä on bipyrimidejä), massiivisissa muodostumissa, geodeissa ja mikrokiteisinä (chalcedony, jaspis, kiviakatti jne.). Kryptokristalliset muodot, kuten akaatti, chalcedony ja piikivi (chert), ovat erittäin yleisiä ja muodostavat usein kerroksellisia tai konkreettisia muodostumia.

Yleisimmät tunnetut lajikkeet:

• ametisti (violetti),
• ruusukvartsi (vaaleanpunainen),
• savukvartsi (smoky),
• akaatti ja jalokivi-kvartsi (kerrokselliset akaattimuodostelmat),
• routivirtikvartsi, rutiloitu kvarts ja aventuriini (sisältävät muita mineraaleja tai sisäisiä inkluusioita).

Kvartsia löytyy kaikkialta maapallolta; erityisen runsaita esiintymiä on graniittien, kiteisten metamorfisten kivien ja sedimenttikivien yhteydessä. Merenrantojen ja jokien hiekassa kvartsihiukkaset ovat yleisiä, koska materiaali on kemiallisesti kestävä ja hajoaa hitaasti.

Käyttö

Kvartsin käyttö on monipuolista ja kattaa sekä jalokivi- että teollisuussovelluksia:

• Elektroniikka ja puolijohteet: erittäin puhdasta piidioksidia ja siitä erotettua piiainesta (Si) käytetään puolijohdeteknologiassa ja elektronisissa komponenteissa.
• Oskillaattorit ja tarkkuusajastimet: kvartsikiteiden piezoelektriset ominaisuudet mahdollistavat tarkat taajuuslähteet, kuten kvartsikellot ja taajuusstandardeissa käytettävät oskillaattorit.
• Lasiteollisuus ja optiikka: sulatettu kvartsilasi (fused quartz, fused silica) on erittäin puhdasta ja läpinäkyvää laajalla aallonpituusalueella, siksi sitä käytetään optisissa komponenteissa, lasikuidun preformeissa ja korkealämpötilalaseissa.
• Rakennusmateriaalit: kvartsihiekkaa käytetään betonin ja asfaltin täyteaineena, lasin valmistuksessa ja erikoishiekkoina (esim. valutekniikassa).
• Abrasive- ja suodatusmateriaalit: kvartsipohjaisia hiekkakivi- ja jauhetuotteita käytetään hiontaan, suodatukseen ja fraktiohiekkoina öljyteollisuudessa.
• Korut ja koristekivet: jalokivi- ja koristekäytöt, kuten ametisti, akaatti ja ruusukvartsi.

Terveyteen ja turvallisuuteen liittyvät seikat

Kiteisen piidioksidin hengittäminen pölynä voi aiheuttaa vakavia hengitystiesairauksia. Pitkäaikainen altistuminen hienojakoiselle kidepölylle voi johtaa silikoosiin (keuhkojen arpeutumiseen) ja lisääntyneeseen riskiin keuhkosyöpään. Työpaikoilla, joissa syntyy kvartsipölyä (esimerkiksi louhinta, louhimo-, kaivos- tai rakennustyöt), on tärkeää käyttää tarkoituksenmukaisia pölynpoistojärjestelmiä, henkilökohtaisia suojaimia ja noudattaa työturvallisuusohjeita.

Kestävyys ja materiaalin tuotanto

Kvartsin runsas esiintyvyys tekee siitä helposti saatavan raaka-aineen. Kuitenkin teollisuuden tarvitsema äärimmäisen puhdas SiO2 vaatii prosessointia ja puhdistusta (esim. elektroniteollisuuden käyttämä pii), jolloin energian- ja kemikaalipanokset kasvavat. Sulatetun kvartsin ja korkeapuhdasteknologian materiaalien valmistuksessa käytetään tarkkoja prosesseja epäpuhtauksien poistamiseksi.

Yhteenveto

Kvartsi (SiO2) on monipuolinen ja maailmanlaajuisesti yleinen mineraali, jonka monimuotoisuus ulottuu koriste- ja jalokivikäytöstä aina korkean teknologian sovelluksiin. Sen kemiallinen kestävyys, piezoelektriset ominaisuudet ja korkea lämpötilankesto tekevät siitä tärkeän materiaalin sekä luonnossa että teollisuudessa. Samalla kvartsipölyn terveysriskit edellyttävät huolellista turvallisuuskäytäntöä työympäristöissä.

Shocked quartz

Shokkikvartsi on kvartsin muoto, jonka mikroskooppinen rakenne eroaa tavallisesta kvartsista. Kovassa paineessa (mutta rajoitetussa lämpötilassa) kvartsin kiderakenne deformoituu kiteen sisäisiä tasoja pitkin. Nämä tasot näkyvät viivoina mikroskoopissa.

Sokkikvartsia esiintyy kaikkialla maailmassa, erityisesti törmäyskraattereissa ja ohuessa liitukauden ja paleogeenin välisessä rajakerroksessa. Tämä on liitukauden ja paleogeenin kivilajien välisessä kontaktissa. Se on lisätodiste (iridiumrikastumisen lisäksi) siitä, että näiden kahden geologisen kauden välisen siirtymän aiheutti suuri törmäys. Eugene Shoemaker löysi sen rakennuskivistä Baijerin Nördlingenin kaupungissa. Kivet olivat peräisin meteorikraatterin järkyttyneistä metamorfisista kivistä, kuten breksiasta.

mikroskooppikuva järkkyneestä kvartsista

Kysymyksiä ja vastauksia

Q: Mitä on kvartsi?

K: Mistä nimi "kvartsi" on peräisin?

K: Mitä kvartsilajikkeita on olemassa?

K: Kuinka kovaa kvartsi on?

K: Mitä on sulatettu kvartsi?

K: Mihin tuotteisiin sulatettua kvartsia voidaan käyttää?

K: Kuinka kauan ihmiset ovat käyttäneet erilaisia kvartsityyppejä koruihin ja kaiverruksiin?

Hae kirjaimella